微型气液固三相流态化基础研究

The gas-liquid-solid fluidization is an important type of models of physical or chemical operations. The micro-chemical system has been paid great attention due to its good flow and transfer characteristics and safe and controllable features of processes. A new type of unit operation enhancement technique may be formed when the micro-chemical and three-phase fluidization are combined. The fundamental studies on the gas-liquid-solid micro fluidization are critical both from the point of academic view and of industry application. In this project, a set of experimental installation of gas-liquid-solid micro fluidization will be built and experimental investigation and numerical simulation on the range of the micro three-phase fluidization, bubble behavior and bed expansion properties, flow regime and its transition will be studies. Preliminary mass transfer and chemical reaction characteristics also be investigated. The new theory on gas-liquid-solid micro fluidization may be established based on the research results of this project, which may provide some theoretical guidelines for the industry applications of such technique.

气液固三相流态化是一类重要的物理化学操作模式。微化工系统因其高效的流动和传递性能以及过程安全可控等优点而日益受到关注。将微化工的概念和三相流态化相结合将会形成新的单元强化技术。开展微型气液固三相流态化的基础研究，具有重要的理论意义和实用价值。本项目拟在已有工作基础上，建立微型气液固三相流化床装置及测试系统；实验研究和数值模拟微三相流态化的存在区域、气泡行为、膨胀特性、流型过渡等；开展初步的多相传质和反应性能评估研究。研究成果将建立微尺度下的三相流态化理论，为其工业化应用提供基础指导。

气-液-固流化床反应器在化工、石油、环境、能源和医药等领域具有广泛的工业应用，而微系统是实现过程强化的前沿技术，因此，开展微型气-液-固流化床系统的基础研究，具有十分重要的理论意义和应用前景。本项目主要自行设计建立了床径在0.8-10mm之间的微型气-液-固流化床装置及可视化测试平台，采用可视化实验方法和数值模拟等手段，开展了微型多相流动、传递和反应性能的研究，获得了创新性研究成果。随着流化床特征尺寸的减小，壁面对于流化床内的流体力学和传递特性将产生显著的影响。采用高速摄像方法和微压差技术，结合Hurst指数分析，获得了最小流化速度的规律。在3-5 mm床径三相流化床内，由于复杂的气泡运动，难以准确获得起始流化液速；而对于8-10 mm床径的三相流化床，在表观气速较低时，可通过分析压降和Hurst指数随表观液速的变化规律，由固定床和流化床间的转折点得到起始流化液速等。在表观气速较高时，该转折点逐渐消失，难以准确得到起始流化液速等。气泡行为和壁面效应显著影响起始流化液速，建立了预测最小流化液速的关联式。在3 mm床径三相流化床内，发现存在四种流型：半流化、弹状流型、分散气泡流型和液体输送流型，提出了预测流型转变边界的关联式。表面张力、浮力和惯性力决定着微型气-液-固三相流化床中单气泡的尺寸。随着床径的减小和粒径的增加，单气泡上升速度下降，建立了描述微型气-液-固三相流化床中气泡尺寸的关联式。采用CFD-VOF-DEM方法对微型三相流化床中单气泡的生成及上升运动进行了数值模拟，与实验结果吻合较好。床径为3-6mm的微型气-液-固三相流化床内光催化降解亚甲基蓝溶液的氧化反应效果研究表明，微型三相流化床可以强化多相流动，传质和化学反应过程，其传质系数分别是微型液-固流化床和微型气-液鼓泡塔的 1.9 倍及4.8倍，建立了基于光辐射传递和反应动力学的耦合数学模型。这些研究成果既丰富了三相流态化在微小尺度上的理论，又为今后开展该类新型反应器的中试及工业化应用研究等奠定了基础。